JP2006196558A - Method of manufacturing nitride semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体基板の製造方法に係り、特に、フォトリソグラフィを行わずにＧａＮ膜の結晶成長を行う窒化物半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, and more particularly to a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate in which crystal growth of a GaN film is performed without performing photolithography.
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、いわゆるワイドギャップ半導体と呼ばれ、緑、青又は紫外領域において発光することが可能な半導体に関する研究開発が盛んに行われている。これら窒化物半導体は、高輝度ＬＥＤフルカラーディスプレイに用いられる青色，緑色，又は紫外発光ダイオード（以下、ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や、青色，緑色，又は紫外発光半導体レーザ（以下、ＬＤ：Laser Diode）等の次世代デバイス分野への応用が期待されている。 In recent years, it is called a group III-V nitride semiconductor represented by gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), etc., so-called wide gap semiconductor, and emits light in the green, blue or ultraviolet region. Research and development related to semiconductors that can be used are being actively conducted. These nitride semiconductors are blue, green, or ultraviolet light emitting diodes (hereinafter LED: Light Emitting Diode) or blue, green, or ultraviolet light emitting semiconductor lasers (LD: Laser Diode) used in high-brightness LED full-color displays. Application to the next-generation device field such as is expected.
上述した窒化物半導体の結晶成長には、結晶を成長させるための下地となる結晶成長用基板が用いられているが、現状においては、成長した結晶と格子定数が合致する適当な基板が存在しないため、サファイヤ（単結晶Ａｌ２Ｏ３），炭化ケイ素（ＳｉＣ），シリコン（Ｓｉ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等の化合物が、主に結晶成長用基板として用いられている。 For the above-mentioned nitride semiconductor crystal growth, a crystal growth substrate is used as a base for growing the crystal. However, at present, there is no suitable substrate that matches the lattice constant with the grown crystal. Therefore, a compound such as sapphire (single crystal Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), silicon (Si), or gallium arsenide (GaAs) is mainly used as a crystal growth substrate.
しかし、上記したサファイヤ等の結晶成長用基板は、成長した結晶との格子定数の差に起因して、１０９ｃｍ−２〜１０１０ｃｍ−２にも及ぶ高密度の結晶欠陥（転位）が発生してしまい、ＬＥＤやＬＤの長寿命化、高出力及び高効率化を阻害するといった問題が生じていた。 However, the above-mentioned crystal growth substrate such as sapphire has high-density crystal defects (dislocations) as large as 10 9 cm −2 to 10 10 cm −2 due to the difference in lattice constant from the grown crystal. As a result, problems such as long life, high output, and high efficiency of LEDs and LDs have occurred.
そこで、上述した高密度の結晶欠陥（転位）を抑制させる結晶成長方法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法が開発されている。ここで、ＥＬＯ法の製造プロセスについて、以下に説明する。
まず始めに、図７（ａ）に示すようなサファイヤ又は炭化シリコンからなる母材基板１００を結晶成長装置（図示せず）の内部に導入させ、図７（ｂ）に示すように、下地となるＧａＮ膜１０１を、所望の肉厚となるように母材基板１００の上面に形成させた後、結晶成長装置の内部から取り出す（以上、下地ＧａＮ膜成長工程）。
次に、図７（ｃ）に示すように、ＧａＮ膜１０１の上面にＳｉＯ２等からなるマスク膜１０２を形成させ、さらに、図７（ｄ）に示すように、形成されたマスク膜１０２の上面にフォトレジスト１０３が塗布される。そして、露光装置（図示せず）を用いて、フォトレジスト１０３に対して紫外線が照射される。その後、図７（ｅ）に示すように、露光された部分のフォトレジスト１０３が溶かされ、現像が完了した後、図７（ｆ）に示すように、マスク膜１０２を選択的に除去するマスクエッチングが行われる（以上、フォトリソグラフィ工程）。
最後に、これを再び結晶成長装置の内部に導入させて、図７（ｇ）に示すように、ＧａＮ膜１０１を再成長させる（以上、ＧａＮ膜再成長工程）。
このようなＥＬＯ法によってＧａＮ膜を形成することにより、ＧａＮ膜の再成長過程において、結晶成長が、通常の縦方向に限定されず、マスク膜を被覆するような形態で横方向に成長するため、ＧａＮ膜に生じていた結晶欠陥（転位）がマスク膜の上では横方向に折曲させて、これらをマスク膜の中央部周辺で衝突させることで、結晶欠陥（転位）の消滅した領域を形成することができる。
Therefore, an ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method has been developed as a crystal growth method for suppressing the above-described high-density crystal defects (dislocations). Here, the manufacturing process of the ELO method will be described below.
First, a base material substrate 100 made of sapphire or silicon carbide as shown in FIG. 7A is introduced into a crystal growth apparatus (not shown), and as shown in FIG. The GaN film 101 to be formed is formed on the upper surface of the base material substrate 100 so as to have a desired thickness, and then taken out from the inside of the crystal growth apparatus (the underlying GaN film growth step).
Next, as shown in FIG. 7C, a mask film 102 made of SiO 2 or the like is formed on the upper surface of the GaN film 101. Further, as shown in FIG. Photoresist 103 is applied on the upper surface. Then, the photoresist 103 is irradiated with ultraviolet rays using an exposure apparatus (not shown). Thereafter, as shown in FIG. 7E, the exposed portion of the photoresist 103 is melted, and after development is completed, the mask film 102 is selectively removed as shown in FIG. 7F. Etching is performed (the photolithography process).
Finally, this is again introduced into the inside of the crystal growth apparatus, and the GaN film 101 is regrown as shown in FIG. 7G (the GaN film regrowth step).
By forming the GaN film by such an ELO method, the crystal growth is not limited to the normal vertical direction in the GaN film re-growth process, but grows in the lateral direction so as to cover the mask film. The crystal defects (dislocations) generated in the GaN film are bent in the lateral direction on the mask film and collided around the center of the mask film, so that the crystal defect (dislocation) disappears. Can be formed.
上述したＥＬＯ法を利用した窒化物半導体基板の製造方法として、母材基板の主面上に、ストライプ状の開口部を有し、窒化物半導体が実質的に成長しない材料からなるマスク膜を形成した後、マスク膜を介して窒化物からなる半導体層を選択的に成長させ、最後に、レーザ光の照射によって該半導体層を母材基板から剥離することで、クラック等の発生を防止するとともに、高密度の結晶欠陥（転位）の抑制を図ることが可能な窒化物半導体基板の製造方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。 As a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate using the above-described ELO method, a mask film made of a material having a stripe-shaped opening on the main surface of a base substrate and which does not substantially grow a nitride semiconductor is formed. After that, a semiconductor layer made of nitride is selectively grown through the mask film, and finally, the semiconductor layer is peeled off from the base material substrate by laser light irradiation, thereby preventing the occurrence of cracks and the like. A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate that can suppress high-density crystal defects (dislocations) has been developed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述した窒化物半導体基板の製造方法の場合、下地ＧａＮ膜成長工程、フォトリソグラフィ工程及びＧａＮ膜再成長工程の計３段階の工程を経て行われていることに加え、フォトリソグラフィ工程も、マスク膜形成工程、フォトレジスト塗布工程、現像工程及びマスクエッチング工程の計４段階の工程からなるため、作業工数が多く、生産効率が低下し、製造コストが増加するといった問題が生じている。 However, in the case of the above-described method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, in addition to being performed through a total of three stages of a base GaN film growth process, a photolithography process, and a GaN film regrowth process, a photolithography process is also performed. Since the process consists of a total of four steps, a mask film forming process, a photoresist coating process, a developing process, and a mask etching process, there are problems such as a large number of work steps, a decrease in production efficiency, and an increase in manufacturing cost.
また、フォトリソグラフィ工程は、外部プロセスとして行われるため、ＧａＮ膜の表面が汚染されことで、結晶欠陥（転位）が発生するといった問題が生じている。
さらに、フォトリソグラフィ工程では、下地となるＧａＮ膜の上面に対して種々の加工が行われるため、これらの加工によってＧａＮ膜が損傷を受けることで、上記同様に結晶欠陥（転位）が発生するといった問題も生じている。
さらに、フォトリソグラフィ工程においては、マスク膜の開口中央部で結晶欠陥（転位）が残留する場合が多く、このような結晶欠陥（転位）を低減するためには、非常に複雑なプロセスを経由させる必要があり、上述した問題と同様の問題が生じている。
Further, since the photolithography process is performed as an external process, there is a problem that crystal defects (dislocations) occur due to contamination of the surface of the GaN film.
Furthermore, since various processes are performed on the upper surface of the underlying GaN film in the photolithography process, the GaN film is damaged by these processes, so that crystal defects (dislocations) are generated as described above. There are also problems.
Furthermore, in the photolithography process, crystal defects (dislocations) often remain in the center of the opening of the mask film. In order to reduce such crystal defects (dislocations), a very complicated process is used. There is a need and a problem similar to the problem described above has arisen.
さらに、代替方法として、レーザ光によってサファイヤ基板に溝パターンを加工した後に、マスク膜を形成させる方法が検討されているが、現状のレーザ加工技術では、サファイヤ基板上に数μｍ単位の幅寸法、深さ寸法及び間隔からなる溝パターンを加工することは非常に困難で、特に、深さ寸法の精密な制御は不可能であり、所望のマスク膜を得ることが非常に困難であるといった問題が生じてしまう。
また、レーザ光による加工後のサファイヤ基板は、出射されたレーザから発生する熱の影響で加工雰囲気と反応して変質層が発生してしまい、この変質層がＧａＮの異常成長を引き起こすといった問題も生じてしまう。
Furthermore, as an alternative method, a method of forming a mask film after processing a groove pattern on a sapphire substrate with laser light has been studied. However, in the current laser processing technology, a width dimension of several μm unit on the sapphire substrate, It is very difficult to process a groove pattern having a depth dimension and an interval. In particular, it is impossible to precisely control the depth dimension, and it is very difficult to obtain a desired mask film. It will occur.
In addition, the sapphire substrate after processing with laser light reacts with the processing atmosphere due to the influence of heat generated from the emitted laser, and a deteriorated layer is generated, which causes abnormal growth of GaN. It will occur.
本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、生産効率の向上とともに、製造コストの抑制を図ることが可能な窒化物半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the foregoing points, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate capable of improving production efficiency and suppressing manufacturing cost.
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、
母材基板の主面の表面に凹部を形成する第１の工程と、
前記母材基板の前記凹部を形成した面に、前記凹部を埋めるようにマスク膜を形成する第２の工程と、
前記凹部を残しつつ、前記第１の工程における前記母材基板の主面の表面が現れるまで前記マスク膜を研磨する第３の工程と、
前記第３の工程により現れた前記母材基板の主面の表面上に窒化物からなる半導体層を選択的に成長させる第４の工程とを具備することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the invention described in claim 1 includes:
A first step of forming a recess in the surface of the main surface of the base material substrate;
A second step of forming a mask film on the surface of the base material substrate on which the concave portion is formed so as to fill the concave portion;
A third step of polishing the mask film until the surface of the main surface of the base material substrate in the first step appears while leaving the recess;
And a fourth step of selectively growing a semiconductor layer made of a nitride on the surface of the main surface of the base material substrate that has appeared in the third step.
請求項１に記載の発明によれば、母材基板の主面の表面に凹部を形成する第１の工程と、母材基板の凹部を形成した面に、凹部を埋めるようにマスク膜を形成する第２の工程と、第１の工程における母材基板の主面の表面が現れるまでマスク膜を研磨する第３の工程と、第３の工程により現れた母材基板の主面の表面上に窒化物からなる半導体層を選択的に成長させる第４の工程とを具備するので、外部プロセスによるフォトリソグラフィ工程が不要になることで、フォトリソグラフィ工程に起因した結晶欠陥（転位）を低減させることができる。
また、１回の成膜プロセスによって窒化物からなる半導体層を形成することで、２回以上の成膜プロセスを経る従来の製造方法において生じていた厚さ寸法の増加したＧａＮ膜と、サファイヤ基板との熱膨張の差に起因したサファイヤ基板における反りの発生量を低減させるとともに、サファイヤ基板に形成された溝パターンが反りの発生を抑制する役割を果すことで、上述した反りの発生量を、大幅に低減させることができる。
さらに、マスク膜が形成された後に、マスク膜及び母材基板の研磨作業が行われることで、後続の半導体層を成長させる工程において要求される母材基板の厚さ寸法、厚さ寸法のばらつき、反りの発生量、原子レベルによる平坦性及び結晶面精度等の項目を容易に制御することができる。
According to the first aspect of the present invention, the first step of forming the recess on the surface of the main surface of the base material substrate, and the mask film is formed so as to fill the recess on the surface of the base material substrate where the recess is formed. A second step of polishing, a third step of polishing the mask film until the surface of the main surface of the base material substrate in the first step appears, and a surface of the main surface of the base material substrate that appears in the third step And a fourth step of selectively growing a semiconductor layer made of nitride, thereby eliminating the need for a photolithography step by an external process, thereby reducing crystal defects (dislocations) caused by the photolithography step. be able to.
Further, by forming a semiconductor layer made of nitride by a single film formation process, a GaN film having an increased thickness and a sapphire substrate that has been generated in a conventional manufacturing method that has undergone two or more film formation processes In addition to reducing the amount of warpage in the sapphire substrate due to the difference in thermal expansion with the groove pattern formed in the sapphire substrate plays a role of suppressing the occurrence of warpage, the amount of warpage described above can be reduced. It can be greatly reduced.
Furthermore, after the mask film is formed, the polishing operation of the mask film and the base material substrate is performed, so that the thickness dimension of the base material substrate and the variation in the thickness dimension required in the process of growing the subsequent semiconductor layer are performed. It is possible to easily control items such as the amount of warpage, flatness at the atomic level, and crystal plane accuracy.
請求項２に記載の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、前記凹部が、フェムト秒レーザの照射によって形成されることを特徴とする。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to a second aspect of the invention is characterized in that the recess is formed by irradiation with a femtosecond laser.
請求項２に記載の発明によれば、凹部が、フェムト秒レーザの照射によって形成されるので、母材基板に多光子吸収を起こさせて凹部を形成することで、母材基板が受ける熱的損傷を抑制させることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the concave portion is formed by the irradiation of the femtosecond laser, the multi-photon absorption is caused in the base material substrate to form the concave portion, so that the base material substrate receives the heat. Damage can be suppressed.
請求項１に記載の発明によれば、母材基板の主面の表面に凹部を形成する第１の工程と、母材基板の凹部を形成した面に、凹部を埋めるようにマスク膜を形成する第２の工程と、前記凹部を残しつつ、第１の工程における母材基板の主面の表面が現れるまでマスク膜を研磨する第３の工程と、第３の工程により現れた母材基板の主面の表面上に窒化物からなる半導体層を選択的に成長させる第４の工程とを具備するので、外部プロセスによるフォトリソグラフィ工程が不要になることで、フォトリソグラフィ工程に起因した結晶欠陥（転位）を低減させることが可能となり、これによって、生産効率の向上とともに、製造コストの抑制を図ることができる。
また、１回の成膜プロセスによって窒化物からなる半導体層を形成することで、２回以上の成膜プロセスを経る従来の製造方法において生じていた厚さ寸法の増加したＧａＮ膜と、サファイヤ基板との熱膨張の差に起因したサファイヤ基板における反りの発生量を低減させるとともに、サファイヤ基板に形成された溝パターンが反りの発生を抑制する役割を果すことで、上述した反りの発生量を、大幅に低減させることが可能となり、これによって、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
さらに、マスク膜が形成された後に、マスク膜及び母材基板の研磨作業が行われることで、後続の半導体層を成長させる工程において要求される母材基板の厚さ寸法、厚さ寸法のばらつき、反りの発生量、原子レベルによる平坦性及び結晶面精度等の項目を容易に制御することが可能となり、これによって、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
According to the first aspect of the present invention, the first step of forming the recess on the surface of the main surface of the base material substrate, and the mask film is formed so as to fill the recess on the surface of the base material substrate where the recess is formed. A second step of polishing, a third step of polishing the mask film until the surface of the main surface of the base material substrate in the first step appears while leaving the recess, and a base material substrate appearing in the third step And a fourth step of selectively growing a nitride semiconductor layer on the surface of the main surface of the semiconductor layer, thereby eliminating the need for a photolithography step by an external process, thereby causing crystal defects caused by the photolithography step. It is possible to reduce (dislocation), thereby improving the production efficiency and suppressing the manufacturing cost.
Further, by forming a semiconductor layer made of nitride by a single film formation process, a GaN film having an increased thickness and a sapphire substrate that has been generated in a conventional manufacturing method that has undergone two or more film formation processes In addition to reducing the amount of warpage in the sapphire substrate due to the difference in thermal expansion with the groove pattern formed in the sapphire substrate plays a role of suppressing the occurrence of warpage, the amount of warpage described above can be reduced. It becomes possible to reduce significantly, and the effect similar to the effect mentioned above can be acquired by this.
Furthermore, after the mask film is formed, the polishing operation of the mask film and the base material substrate is performed, so that the thickness dimension of the base material substrate and the variation in the thickness dimension required in the process of growing the subsequent semiconductor layer are performed. It is possible to easily control items such as the amount of warpage, flatness at the atomic level, and crystal plane accuracy, and the same effects as those described above can be obtained.
請求項２に記載の発明によれば、凹部が、フェムト秒レーザの照射によって形成されるので、母材基板に多光子吸収を起こさせて凹部を形成することで、母材基板が受ける熱的損傷を抑制させることが可能となり、これによって、生産効率の向上とともに、製造コストの抑制を図ることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the concave portion is formed by the irradiation of the femtosecond laser, the multi-photon absorption is caused in the base material substrate to form the concave portion, so that the base material substrate receives the heat. It becomes possible to suppress damage, thereby improving production efficiency and reducing manufacturing cost.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
まず始めに、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法において使用される母材基板及び窒化物半導体について説明する。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
First, a base material substrate and a nitride semiconductor used in the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described.
母材基板には、サファイヤ（単結晶Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等が適用可能であり、特に、サファイヤを用いることが好ましい。 As the base material substrate, sapphire (single crystal Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), or the like is applicable, and sapphire is particularly preferable.
また、窒化物半導体には、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及びその混晶ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（但し、ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ+ｙ+ｚ＝１）等が適用可能である。 The nitride semiconductor includes gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), and mixed crystals of Al x In y Ga z N (provided that x, y, z ≦ 1, x + y + z = 1) and the like are applicable.
次に、図１から図３を参照しながら、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法について説明する。
本実施形態における窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板の主面の表面に凹部、例えば溝パターンを形成する第１工程、前記溝パターンを形成した母材基板の面にマスク膜を形成する第２工程、前記凹部を残しつつ、形成されたマスク膜を研磨する第３工程及び研磨された母材基板の表面上に窒化物からなる半導体層を結晶成長させる第４工程から構成される。
以下、各工程の詳細について、それぞれ説明する。
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to FIGS.
In the method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present embodiment, a first step of forming a recess, for example, a groove pattern, on the surface of the main surface of the base material substrate, and a mask film on the surface of the base material substrate on which the groove pattern is formed A second step of polishing, a third step of polishing the formed mask film while leaving the recess, and a fourth step of crystal growth of a nitride semiconductor layer on the polished surface of the base material substrate. .
Hereinafter, details of each step will be described.
まず始めに、第１工程について説明する。
第１工程では、母材基板サファイヤ基板１の上面に対して、レーザ照射装置１０を用いて、所定のパルスレーザを照射させ、ストライプ状の溝パターンが形成される。形成されるストライプ状の溝パターンは、溝の幅寸法が４〜１００μｍ、深さ寸法が２０〜５０μｍ、隣接する溝とのピッチ寸法が４〜１００μｍであることが好ましい。この好ましい溝パターンの寸法は窒化物半導体の成膜条件によって変わるが、溝の幅寸法もしくは隣接する溝とのピッチ寸法が広すぎると、横方向成長した窒化物半導体同士が接合する結晶性に優れた部分が相対的に少なくなるため、ＥＬＯ法として窒化物半導体の結晶性を改善する効果を失うことになる。
First, the first step will be described.
In the first step, the upper surface of the base material substrate sapphire substrate 1 is irradiated with a predetermined pulse laser using the laser irradiation apparatus 10 to form a stripe-shaped groove pattern. The stripe-shaped groove pattern to be formed preferably has a groove width dimension of 4 to 100 μm, a depth dimension of 20 to 50 μm, and a pitch dimension between adjacent grooves of 4 to 100 μm. The preferred groove pattern dimensions vary depending on the nitride semiconductor film forming conditions. However, if the groove width dimension or the pitch dimension between adjacent grooves is too wide, the laterally grown nitride semiconductors have excellent crystallinity. Therefore, the effect of improving the crystallinity of the nitride semiconductor as the ELO method is lost.
本工程において使用されるレーザ照射装置１０は、図１に示すように、レーザ発光源１１、レンズ１２、載置台１３及びＸＹＺステージ（図示せず）が具備されている。
このように構成されたレーザ照射装置１０は、まず始めに、マスク膜を有する母材基板を載置台１３に設置して、レーザ発光源１１から射出されるパルスレーザを、レンズ１２で集光してマスク膜に照射させる。それにより、パルスレーザの焦点近傍にあるマスク膜の改質が行われ、さらに、載置台１３をＸＹＺステージ等の手段によって移動させ、焦点を走査させることで、マスク膜の表面における所望の領域が改質されるようになっている。
ここで、パルスレーザは、マスク膜の加工閾値以上のレーザ強度を有している必要がある。具体的には、パルスレーザのパルス幅が１５０ｆｓ〜１ｐｓの範囲で、繰返し周期が１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲で、波長が７８０〜８００ｎｍであるレーザ、いわゆる、フェムト秒レーザが適用可能である。
As shown in FIG. 1, the laser irradiation apparatus 10 used in this step includes a laser emission source 11, a lens 12, a mounting table 13, and an XYZ stage (not shown).
The laser irradiation apparatus 10 configured as described above first places a base material substrate having a mask film on the mounting table 13, and condenses the pulse laser emitted from the laser emission source 11 with the lens 12. To irradiate the mask film. As a result, the mask film in the vicinity of the focal point of the pulse laser is modified. Further, the mounting table 13 is moved by means such as an XYZ stage and the focal point is scanned, so that a desired region on the surface of the mask film is obtained. It is designed to be modified.
Here, the pulse laser needs to have a laser intensity equal to or higher than the processing threshold of the mask film. Specifically, a laser having a pulse width of 150 fs to 1 ps, a repetition period of 1 kHz to 300 kHz, and a wavelength of 780 to 800 nm, that is, a so-called femtosecond laser is applicable.
なお、溝パターンの形成方法は、形成される溝パターンを、上述した幅寸法、深さ寸法及び溝間隔に加工制御することが可能であれば、本実施形態に示すようなフェムト秒レーザに限定されず、何れの形成方法も適用可能である。 The groove pattern forming method is limited to the femtosecond laser as shown in the present embodiment as long as the formed groove pattern can be processed and controlled to the above-described width dimension, depth dimension, and groove interval. Any formation method can be applied.
次に、第２工程について説明する。
第２工程においては、溝パターンを形成したサファイヤ基板の上面の全面に対して、蒸着装置により、ＳｉＯ２等からなるマスク膜が形成される。この際、形成された溝パターンは、基板の表面から深さ方向に対して一定の範囲にかけて又は全てがマスク膜によって埋められる。
Next, the second step will be described.
In the second step, a mask film made of SiO 2 or the like is formed on the entire upper surface of the sapphire substrate on which the groove pattern is formed by a vapor deposition apparatus. At this time, the formed groove pattern is filled with a mask film over a certain range in the depth direction from the surface of the substrate.
本工程において使用される蒸着装置としては、スパッタ装置、真空蒸着装置、イオンプレーティング装置等が適用可能である。本実施形態においては、図２に示すように、真空チャンバ２１、電圧が印加されるターゲット２２と、ターゲット２２を保持する受け皿２３と、受け皿２３の下面側に設けられていてスパッタリング効率の向上を図るマグネット２４とが具備されたスパッタ装置２０が使用されている。
このように構成されたスパッタ装置２０では、真空チャンバ２１の内部にイオン化された不活性ガスを導入し、そのイオン化された不活性ガスをターゲット２２に取り付けたマグネット２４によってターゲット２２に吸引して衝突させることにより、ターゲット２２を構成しているマスク膜素材の粒子をターゲット２２から飛出させ、サファイヤ基板１の上面の全面に該マスク素材の粒子を被着させることでマスク膜を形成するようになっている。
As a vapor deposition apparatus used in this step, a sputtering apparatus, a vacuum vapor deposition apparatus, an ion plating apparatus, or the like can be applied. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the vacuum chamber 21, the target 22 to which the voltage is applied, the tray 23 that holds the target 22, and the lower surface side of the tray 23 are provided to improve the sputtering efficiency. A sputtering apparatus 20 equipped with a magnet 24 to be used is used.
In the sputtering apparatus 20 configured as described above, an ionized inert gas is introduced into the vacuum chamber 21, and the ionized inert gas is attracted to the target 22 by the magnet 24 attached to the target 22 to collide. As a result, the mask film material particles constituting the target 22 are ejected from the target 22 and the mask material particles are deposited on the entire upper surface of the sapphire substrate 1 to form the mask film. It has become.
さらに、第３工程について説明する。
第３工程においては、サファイヤ基板におけるマスク膜が形成された面が、研磨装置により、サファイヤ基板のうち前記凹部を除く表面が現れるまで機械研磨される。
なお、本工程において使用される研磨装置は、ラップ研磨等の公知の方法が適用可能である。
Furthermore, the third step will be described.
In the third step, the surface of the sapphire substrate on which the mask film is formed is mechanically polished by a polishing apparatus until the surface of the sapphire substrate excluding the concave portion appears.
Note that a known method such as lapping can be applied to the polishing apparatus used in this step.
最後に、第４工程について説明する。
第４工程においては、サファイヤ基板の研磨された面に対して、結晶成長装置を用いた結晶成長法により、窒化物半導体層であるＧａＮ膜が形成される。
Finally, the fourth step will be described.
In the fourth step, a GaN film that is a nitride semiconductor layer is formed on the polished surface of the sapphire substrate by a crystal growth method using a crystal growth apparatus.
本工程において使用される結晶成長法としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法又はＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法等が適用可能である。本実施形態においては、ＭＯＣＶＤ法によるＣＶＤ装置３０が用いられており、このＣＶＤ装置３０には、図３に示すように、内部が中空となるように成型された反応管３１と、キャリアガスが充填されたガス供給源３２と、ガス供給源３２から反応管３１にガスを供給するガス噴出ノズル３３と、サファイヤ基板１を保持するサセプタ３４とが具備されている。
このように構成されたＣＶＤ装置３０は、反応管３１に水素ガス及び窒素ガスの混合ガスをキャリアガスとして供給するとともに、反応管３１の内部にあるサセプタ３４の上面にサファイヤ基板１を戴置するようになっており、このサファイヤ基板１の下側の面から所定の温度になるまで加熱を行い、該サファイヤ基板１の上側の面に窒化物半導体層を成長させる。そして、窒化物からなる半導体層を積層したサファイヤ基板には、該窒化物半導体層の上に必要に応じて半導体素子パターンを積層させ、サファイヤ基板１が常温になるまで冷却を行う。
As a crystal growth method used in this step, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, an HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) method, or the like is applicable. In the present embodiment, a CVD apparatus 30 by MOCVD is used, and as shown in FIG. 3, the CVD apparatus 30 includes a reaction tube 31 formed so as to be hollow and a carrier gas. A filled gas supply source 32, a gas ejection nozzle 33 that supplies gas from the gas supply source 32 to the reaction tube 31, and a susceptor 34 that holds the sapphire substrate 1 are provided.
The CVD apparatus 30 configured in this way supplies a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas as a carrier gas to the reaction tube 31 and places the sapphire substrate 1 on the upper surface of the susceptor 34 inside the reaction tube 31. Heat is applied from the lower surface of the sapphire substrate 1 to a predetermined temperature to grow a nitride semiconductor layer on the upper surface of the sapphire substrate 1. Then, on the sapphire substrate on which the semiconductor layer made of nitride is laminated, a semiconductor element pattern is laminated on the nitride semiconductor layer as necessary, and cooling is performed until the sapphire substrate 1 reaches room temperature.
次に、図４（ａ）から図４（ｇ）を参照しながら、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の実施例について説明する。
［実施例１］
まず始めに、図４（ａ）に示すように、径寸法が５．２ｃｍ、厚さ寸法が０．４ｍｍのサファイヤ基板１を、レーザ照射装置１０における所定の位置に取り付ける。その後、レーザ照射装置１０の電源をＯＮにし、照射されるフェムト秒レーザを８００ｎｍ、パルス周期を１ｋＨｚ、パルス幅を１５０ｆｓに調節した後に、サファイヤ基板１の上面に対してフェムト秒レーザを照射する。これによって、図４（ｂ）に示すように、幅寸法が４μｍ、深さ寸法が２０〜５０μｍ、隣接する溝とのピッチ寸法が４μｍとなるストライプ状の溝パターン２がサファイヤ基板１の上面に形成される。
Next, an embodiment of the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (g).
[Example 1]
First, as shown in FIG. 4A, a sapphire substrate 1 having a diameter of 5.2 cm and a thickness of 0.4 mm is attached to a predetermined position in the laser irradiation apparatus 10. Thereafter, the laser irradiation apparatus 10 is turned on, and the femtosecond laser to be irradiated is adjusted to 800 nm, the pulse period is 1 kHz, and the pulse width is 150 fs, and then the upper surface of the sapphire substrate 1 is irradiated with the femtosecond laser. As a result, as shown in FIG. 4B, a stripe-like groove pattern 2 having a width dimension of 4 μm, a depth dimension of 20 to 50 μm, and a pitch dimension of 4 μm between adjacent grooves is formed on the upper surface of the sapphire substrate 1. It is formed.
次に、溝パターン２が形成されたサファイヤ基板１を、スパッタ装置２０の所定の位置に取り付ける。そして、スパッタ法により、厚さ寸法が１０μｍのＳｉＯ２膜３を、溝パターン２が形成されたサファイヤ基板１の上面の全面に対して形成させる。これによって、図４（ｃ）に示すように、サファイヤ基板１に形成された溝パターン２は、ＳｉＯ２膜３によって深さ方向に対して一定の範囲にかけて埋められる。 Next, the sapphire substrate 1 on which the groove pattern 2 is formed is attached to a predetermined position of the sputtering apparatus 20. Then, a SiO 2 film 3 having a thickness of 10 μm is formed on the entire upper surface of the sapphire substrate 1 on which the groove pattern 2 is formed by sputtering. As a result, as shown in FIG. 4C, the groove pattern 2 formed on the sapphire substrate 1 is filled with the SiO 2 film 3 over a certain range in the depth direction.
さらに、ＳｉＯ２膜３が形成されたサファイヤ基板１を、研磨装置（図示せず）の所定の位置に取り付け、ＳｉＯ２膜３が形成された面を機械研磨させる。そして、サファイヤ基板１が現れた時点で、研磨作業を終了させ、図４（ｄ）に示すようなサファイヤ基板１が得られる。
ここで、図５は研磨前のサファイヤ基板１の表面を表しており、図５における色の薄い（Ａ）の部分はＳｉＯ２膜の肉厚が大きい部分を、色の濃い（Ｂ）の部分はＳｉＯ２膜の肉厚が小さい部分を示している。また、図６は研磨後のサファイヤ基板１の表面を表しており、図６における黒い（Ａ）の部分はサファイヤ基板が露出した部分を、（Ｂ）の部分は、ＳｉＯ２膜３が残留した部分を、それぞれ示している。
Further, the sapphire substrate 1, the SiO 2 film 3 is formed, attached to a predetermined position of the polishing apparatus (not shown), is mechanically polished surface SiO 2 film 3 is formed. Then, when the sapphire substrate 1 appears, the polishing operation is terminated, and the sapphire substrate 1 as shown in FIG. 4D is obtained.
Here, FIG. 5 shows the surface of the sapphire substrate 1 before polishing. In FIG. 5, the light-colored portion (A) is the portion where the SiO 2 film is thick, and the dark-colored portion (B). Indicates a portion where the thickness of the SiO2 film is small. FIG. 6 shows the surface of the sapphire substrate 1 after polishing. The black (A) portion in FIG. 6 is a portion where the sapphire substrate is exposed, and the (B) portion is where the SiO 2 film 3 remains. Each part is shown.
最後に、研磨されたサファイヤ基板１を、ＣＶＤ装置３０における所定の位置に取り付け、ＳｉＯ２膜３によって埋められた溝パターン２が形成されている側の面に、半導体層であるＧａＮ膜４を成長させると、図４（ｅ）に示すような窒化物半導体基板が得られる。これによって、一連の窒化物半導体基板の製造方法が完了する。 Finally, the polished sapphire substrate 1 is attached to a predetermined position in the CVD apparatus 30, and the GaN film 4 that is a semiconductor layer is formed on the surface on which the groove pattern 2 filled with the SiO 2 film 3 is formed. When grown, a nitride semiconductor substrate as shown in FIG. 4E is obtained. This completes a series of methods for manufacturing a nitride semiconductor substrate.
その結果、１０５ｃｍ−２以下の低転位密度のＧａＮ膜を得ることができるとともに、サファイヤ基板１の反り量を、従来の製造方法と比較して１０分の１程度に抑制することができた。 As a result, a GaN film having a low dislocation density of 10 5 cm −2 or less can be obtained, and the amount of warpage of the sapphire substrate 1 can be suppressed to about one-tenth compared with the conventional manufacturing method. It was.
以上より、本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法によれば、サファイヤ基板１の主面の表面に溝パターン２を形成する第１の工程と、サファイヤ基板１の溝パターン２を形成した面に、溝パターン２を埋めるようにＳｉＯ２膜３を形成する第２の工程と、前記凹部を残しつつ、第１の工程における母材基板の主面の表面が現れるまでＳｉＯ２膜３を研磨する第３の工程と、第３の工程により現れたサファイヤ基板１の主面の表面上にＧａＮ膜４を選択的に成長させる第４の工程とを具備するので、外部プロセスによるフォトリソグラフィ工程が不要になることで、フォトリソグラフィ工程に起因した結晶欠陥（転位）を低減させることが可能となり、これによって、生産効率の向上とともに、製造コストの抑制を図ることができる。 As described above, according to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the present invention, the first step of forming the groove pattern 2 on the surface of the main surface of the sapphire substrate 1 and the surface on which the groove pattern 2 of the sapphire substrate 1 is formed. In addition, the second step of forming the SiO 2 film 3 so as to fill the groove pattern 2 and the SiO 2 film 3 are polished until the surface of the main surface of the base material substrate appears in the first step while leaving the recess. And a fourth step of selectively growing the GaN film 4 on the surface of the main surface of the sapphire substrate 1 that has appeared in the third step. Therefore, a photolithography step by an external process is performed. By eliminating the necessity, crystal defects (dislocations) due to the photolithography process can be reduced, thereby improving the production efficiency and suppressing the manufacturing cost.
また、１回の成膜プロセスによってＧａＮ膜４を形成することで、２回以上の成膜プロセスを経る従来の製造方法において生じていた厚さ寸法の増加したＧａＮ膜４と、サファイヤ基板１との熱膨張の差に起因したサファイヤ基板１における反りの発生量を低減させるとともに、サファイヤ基板１に形成された溝パターン２が反りの発生を抑制する役割を果すことで、上述した反りの発生量を、大幅に低減させることが可能となり、これによって、上述した効果と同様の効果を得ることができる。 Further, by forming the GaN film 4 by a single film formation process, the GaN film 4 having an increased thickness, which has occurred in the conventional manufacturing method that has undergone two or more film formation processes, the sapphire substrate 1, The amount of warpage generated in the sapphire substrate 1 due to the difference in thermal expansion of the sapphire substrate 1 is reduced, and the groove pattern 2 formed in the sapphire substrate 1 plays a role of suppressing the occurrence of warpage. Can be drastically reduced, whereby the same effects as described above can be obtained.
さらに、ＳｉＯ２膜３が形成された後に、ＳｉＯ２膜３及びサファイヤ基板１の研磨作業が行われることで、後続のＧａＮ膜４を成長させる工程において要求されるサファイヤ基板１の厚さ寸法、厚さ寸法のばらつき、反りの発生量、原子レベルによる平坦性及び結晶面精度等の項目を容易に制御することが可能となり、これによって、上述した効果と同様の効果を得ることができる。 Furthermore, after the SiO 2 film 3 is formed, the polishing operation of the SiO 2 film 3 and the sapphire substrate 1 is performed, so that the thickness dimension of the sapphire substrate 1 required in the process of growing the subsequent GaN film 4 It is possible to easily control items such as variations in thickness dimensions, the amount of warpage, flatness at the atomic level, and crystal plane accuracy, and the same effects as described above can be obtained.
さらに、溝パターン２が、フェムト秒レーザの照射によって形成されるので、サファイヤ基板１に多光子吸収を起こさせて溝パターン２を形成することで、サファイヤ基板１が受ける熱的損傷を抑制させることが可能となり、これによって、生産効率の向上とともに、製造コストの抑制を図ることができる。 Furthermore, since the groove pattern 2 is formed by irradiation with a femtosecond laser, the sapphire substrate 1 is caused to absorb multiphotons to form the groove pattern 2, thereby suppressing thermal damage to the sapphire substrate 1. This makes it possible to improve production efficiency and reduce manufacturing costs.
１ サファイヤ基板
２ 溝パターン
３ ＳｉＯ２膜
４ ＧａＮ膜
1 Sapphire substrate 2 Groove pattern 3 SiO 2 film 4 GaN film
Claims (2)
前記母材基板の前記凹部を形成した面に、前記凹部を埋めるようにマスク膜を形成する第２の工程と、
前記凹部を残しつつ、前記第１の工程における前記母材基板の主面の表面が現れるまで前記マスク膜を研磨する第３の工程と、
前記第３の工程により現れた前記母材基板の主面の表面上に窒化物からなる半導体層を選択的に成長させる第４の工程とを具備することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 A first step of forming a recess in the surface of the main surface of the base material substrate;
A second step of forming a mask film on the surface of the base material substrate on which the concave portion is formed so as to fill the concave portion;
A third step of polishing the mask film until the surface of the main surface of the base material substrate in the first step appears while leaving the recess;
And a fourth step of selectively growing a nitride semiconductor layer on the surface of the main surface of the base material substrate that appears in the third step. Method.
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the recess is formed by irradiation with a femtosecond laser.
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